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UV LEDの進歩で広がる 硬化技術の可能性
science | UV CURING UV LED の進歩で広がる 硬化技術の可能性 ビル・コーテルユー 2013 年には、生命科学や工業のさまざまな分野にわたって、さらに高出力 のエミッタが登場して硬化時間が短縮し、UV（紫外線）硬化の用途における LED の利用が拡大した。また、部品寿命も長くなった。 「発光ダイオード」や「 LED 」という スペクトルにおけるエネルギー出力を LED を用いた UV 技術が、多くの用途 語を聞いて、ほとんどの人は、照明用 利用して、インク、コーティング、接 に対して優れた方法であることが実証 の目に見える LED を思い浮かべるだろ 着剤などの UV 硬化可能な材料を処理 されている。LED 硬化技術では半導体 う。確かに LED 技術は、世界中で屋 する技術のことである。UV 光によっ ベースの LED を利用し、LED に電流 内照明、屋外照明、街灯、自動車、看 て生成されたエネルギーは、材料の重 を流すことによってUV光を照射する。 板にますます利用されるようになって 合につながる連鎖反応を引き起こし、 LED に順方向バイアスをかけると、電 いる。しかしそれ以外にも、 硬化 （乾燥） これによって材料の硬化（キュアリン 子は素子内の正孔と再結合することが や偽造検出など、LED が利用される産 グ） が生じる（図1） 。UV LED 硬化の詳 でき、光子という形でエネルギーを放 業分野は多数存在する。硬化用の紫外 しい背景については、記事「UV LEDs 出する。照射光の色や、対応する光子 線（ UV ）LED 技術は、世界的に採用さ ramp up the quiet side of the LED のエネルギーは、半導体材料のエネル れ、成長し続けている市場分野の 1 つ market 」 （ UV LED、LED 市場の知ら ギーギャップによって決まる。汎用照 である。本稿では、UV 硬化技術の現 れざる分野の発展を促進） を参照してほ 明用の LED を製造する多数の企業が、 状を説明し、その分野で LED を利用す しい （ http://bit.ly/1bY7FTg ）。 UV スペクトルで放射する LED も製造 ることによって得られる効果について 従来は、水銀を用いた UV ランプが している。 考察する。 硬化に利用されてきたが、現在では、 UV LED 硬化とは、LED からの UV エネルギー効率に優れ、環境に優しい UV LED 硬化技術の進歩 LED ランプは、消費エネルギーが低 図 1 UV 光は、インクや接 着剤などの材料の硬化につな がる連鎖反応を引き起こす。 m 単量体 （モノマー） o 重合体 （オリゴマー） p 光重合開始剤 く、寿命が長く、堅牢性に優れ、小型 で、オン／オフの切り替えが速いなど、 多数の利点があることは多くの業界で インク／コーティング 認められている事実である。このよう 基板 な利点は、硬化の用途においても重要 な要素である。 m p o o m o p m UV LED 硬化技術はこの数年間で著 p o m しく進歩し、現在では、印刷、コーティ p m p p インク、 コーティング、 接着剤などの液体を塗布する o o m o p m p o m ング、接着剤といったさまざまな応用 p m p p o o m o p m o p UV LEDの照射によって 化学反応が生じる 液体が固まり、 最終製品がUV硬化される 26 2014.6 LEDs Magazine Japan 分野で簡単に利用できる状態にある。 p m p 生産性に優れ、また、環境に優しいと いうますます多くの最終顧客が望む性 質を備えるなど、多数の利点によって、 企業による UV LED 技術の採用が促進 されている。UV LED 硬化システムを 開発するメーカーは、主要なサブコン 技術には、経済的であること、システ 接着剤：UV 接着剤は、UV LED の電 ポーネントが相互に作用する仕組みを ム能力が高いこと、環境に優しいこと 子制御や安定性により、最新の組立お 理解することによって、最適なシステ といった魅力的な利点があり、目覚ま よび製造プロセスにおける重要な道具 ムを構築することができるだろう。そ しい勢いで旧式の技術にとって代わり となっている。医療機器から最先端民 れによって、プロセスが環境に与える つつある。UV LED 硬化は、デジタル 生電子機器にいたるまでの幅広い分野 全般的な影響を抑えるとともに、生産 インクジェット、スクリーン、フレキソ において、UV LED 接着剤による優れ 性や製品性能を維持または向上させる 印刷などの印刷プロセスにおけるイン た効果が実証されている。 ことができる。 クの UV 硬化に最適な技術である。 応用分野 コーティング：世界中で現在、床張り 2013 年の動向 材や高級家具といった従来の素材から 2013 年には、UV LED の利用がさら 硬化の市場は広範で、ニッチな応用 最先端エレクトロニクスにいたるまで に大きく増加した。これまでの数年間 分野が多数存在する。しかしここでは、 の多様な分野において、膨大な数のコ で、広範囲にわたる応用分野に対して、 主な応用分野の一部を紹介することに ーティングが UV LED 照射源によって UV硬化の普及率と有用性に関する議論 する。 硬化されている。材料の進歩と長期性 が大いに交わされた。基本的に、 「 UV 印刷：UV 硬化プロセスは、印刷業界 能試験によって、自動車、エレクトロニ LED 硬化技術は期待どおりの成果を達 において 30 年以上前から利用されて クス、住居、商用建設資材の分野にお 成するだろうか」という疑問がその論 いる。UV プリンター向けの LED 硬化 けるさらなる市場開拓が見込まれる。 点だった。そして得られた回答は「イ LEDs Magazine Japan 2014.6 27 science | UV CURING LED 365nm LED範囲 Mercury lamp Labelexpo 2013 を Labelexpo 2011 355 相対強度 として加わっていた。 LEDのみ 相対強度 LED 385/395/405nm 365 385 395 405 415 波長〔nm〕 と比較すると、同技術が業界でどれだ け急速に普及したかが明らかである。 2013 年の展示会では、80 を超える UV LED 硬化ランプが装置に実装されてい た。2011 年の 10 個から 8 倍にも増加 波長 〔nm〕 したことになる。硬化の用途はピニン UVC UVB UVA 可視光 赤外光 100∼280nm 280∼315nm 315∼400nm 400∼700nm 700∼1800nm 図 2 UV LED のスペクトルエネルギー分布は、かつて広く利用されていた旧来の水銀ランプと は異なる。 グからフルキュアまで多岐にわたり、 プリンタの多くが UV LED を 100% 採 用するものだった。 Label & Narrow Web、Labels & La beling、NarroWebTech の各誌が主催 エス」である。実際、期待を上回る成 UV LED 硬化プロセスの利用に関す するラベル産業世界賞（ LIGA：Label 果が達成されており、今後も力強く成 る最も興味深い側面の 1 つは、エネル Industry Global Awards） のAward for 長し、ますます発展し、UV 硬化の新し ギー照射に対する高精度な電子制御に Innovation 部門は過去最高の応募件数 い市場を開拓することが見込まれる。 よって、多数の新しいプロセスの可能 を記録し、米マーク・アンディ社 （Mark 当初懸念されていた出力、寿命、コ 性が開かれるという点である。多くの Andy ）とルクセンブルクのフリントグ ストの問題は、技術と製品の急速な進 ユーザーがそれぞれのプロセスに調整 ループ社ナローウェブ部門（ Flint Group 歩によってすべて解決されている。UV を加えて、他の手段では実現できない Narrow Web ） が共同受賞した。フリン LED 硬化技術は現在、広範囲にわた 成果を達成している。現在では、多数 トグループ社の受賞対象は、UV LED る応用分野の要件を満たし、目覚まし の独自のエネルギー制御手法が、さま インク技術「 Ekocure 」である。審査 いペースでさらに進歩し続けている。 ざまな応用分野にわたって採用されて 員らは同技術について、硬化反応の改 最高レベルの硬化速度要件に対応する いる。 良、コストの削減、生産性の向上、廃 16W/cm のランプが、2 年以上前から 2 棄物の低減、エネルギーの節減、安全 量産出荷されている。ランプメーカー 最近の実績 による一般的な予測寿命は、点灯時間 2013 年に達成された主要な実績を に間違いなく多大な貢献をもたらすで で 2 万時間以上と、数年前の 2 倍に達 振り返ってみよう。Labelexpo Europe あろう成果を達成したとして高く評価 している。主要メーカーがさらに寿命 2013 展示会は、UV LEDの大規模な普 した。マーク・アンディ社は、高い生産 の長いランプを製造する日も近いだろ 及が反映されたものとなり、UV LED 硬 速度と 50% のエネルギー節減を達成す う。およそ 3 万時間という、多様な硬 化が急速に普及しているという主張を る、補完的なインク硬化技術「ProLED」 化用途の使用期間に見合うか、それを 実証していた。同展示会は過去最大の で受賞した。 上回る寿命を持つランプが登場する可 参加者数を記録した。158カ国 （2011年 能性は高い。 の 123 カ国から増加）からの 3 万 1795 材料を提供するベンダーの増加 UV 硬化可能な材料を提供する企業の 人（ 2011 年から 11% 増加）もの来場者 10 年ほど前にUV LED 硬化が最初に ほぼすべてが、技術と製品に関する積 があり、 出展企業数は 600 社近く（2011 登場した頃には、UV LED 技術が適用 極的な開発計画によって、UV LED 硬 年の 550 から増加）にも上った。どこ 可能なインク、コーティング、接着剤の 化可能な化学物質を推進している。UV を見渡しても、UV LED 硬化システムが 種類は極めて少なかった。図 2 に示す LED ランプは単色であることから化学 機器に実装されていた。従来のデジタ ように、UV LED のスペクトルエネル 者による特別な配慮が必要だが、それ ルインクジェットの他に、回転スクリー ギー分布は水銀ランプとまったく異な はかつて懸念されていたほど長期的な ン印刷、エリア硬化、オフセット、フレ り、帯域がかなり狭い。この違いから、 障害とはなっていない。 キソ印刷が UV LED の有効な応用分野 新しい材料組成が必要になった。 28 2014.6 LEDs Magazine Japan 性の向上といった、ラベル業界の将来 図 3 空冷式の UV LED 硬化システム。 図 4 水冷式の UV LED 硬化システム。 現在では、多数の材料ベンダーが が切り拓かれている。高出力の空冷式 な排気システムが不要であるために運 LED 対応の材料を提供することを大々 製品が最近登場したことにより、木材 用コストが抑えられることなどがある。 的に謳っている。新しい樹脂、単量体、 コーティング業界においても、エッジ 厳密には木材を対象とする用途では 重合体、光重合開始剤が開発され、UV コーティング、ローラーコーティング、デ ないが、多様な材料表面に自然な木目 LED 硬化材料の新たな可能性が切り ジタル印刷などの用途に UV LED 硬化 をつけることも UV LED 硬化インクジ 拓かれた。インクだけでなくコーティ 技術が利用できるようになった。UV ェット印刷によって可能である。ピニ ングや接着剤についても、LED 用に特 LED 技術を採用すれば、消費エネルギ ングランプとフルキュアランプを組み 別に組成されたものや、LED と従来の ーが著しく削減されるとともに、加工 合わせるこで、天然の木目を模倣する 照射源の両方に対応するものが広く提 物の表面温度を大きく低下させること 質感を再現し、自然な見た目と、 （そ 供されている。 ができる。エッジコーティング工程で れよりも重要な）手触りを実現するこ は UV LEDを利用することで、一貫し とができる。これは、装飾やアクセン た高品質な仕上がりが保証される。UV トの分野では特に貴重な能力である。 性能のさらなる向上 UV LED ランプ技術は、非常に広範 LED はコンパクトであることから機械 囲にわたる既存および新規の産業分野 のサイズを小さくすることができ、UV UV LED が新たな応用分野を開拓 に対応できるだけの十分な能力と機能 出力が一貫していることから機械の速 UV LED 技術によって可能になる新 を備えるまでに進歩した。これに対応 度を上げることができる。また、UV LED しい応用分野が多数存在する。携帯電 する材料も開発されたことから、UV 光の拡散性を利用して、これまでは複 話、有機 EL（ OLED ） テレビ、タッチ画 LED のエネルギー出力は現在、従来の 数のランプをさまざまな角度で照射す 面用の高度なフラットパネルディスプ UV 硬化ランプと同等もしくはそれ以 ることが必要だった特殊な形状の面を、 レイの製造を取り上げよう（図 5 ） 。UV 上に達している。UV LED硬化装置は、 より効果的に硬化することができる。 LED 技術はこの分野に最適であり、優 より高いエネルギーをより効率的に媒 UV LED はローラーコーティングに れた一貫性を実現しつつ、パネルに加 体に照射するため、スループットとプ も最適で、制御されたゲル化とフルキ えられる熱は低い。電子部品の熱損傷 ロセスの柔軟性が高いだけでなく、環 ュアの両方の工程に適用できる。利点 がないことから、LED 技術はより多く 境に優しくエネルギー効率に優れた手 としては、ローラーコーティングライ の材料に適用可能で、製造歩留まりの 法でもある。そのさまざまな利点に後 ンの長さが短くなり、効率が高くなる 向上につながる。 押しされて、エンドユーザーによる UV ため、工場におけるフロア占有面積が UV LED 硬化技術は、蒸留酒、健 LED 硬化技術への移行が急速なペース 縮小できること、UV出力の低下がなく 康／美容製品、ワイン、炭酸飲料、ビー で進行している。図3と図4はそれぞれ、 稼働時間が増加すること、赤外線加熱 ル、ボトル入り飲料水、ソフトドリンク、 空冷式と水冷式のUV硬化製品である。 がないために入力ストックのコストが 食品のガラス容器や、販促用ガラス製 この進歩によって、新たな応用分野 低くなること、電力効率が高く、高価 品業界向けの装飾的なボトル印刷にも LEDs Magazine Japan 2014.6 29 science | UV CURING 印刷用プラスチックなどの表面の硬化 に対応する。連続するレイヤのピニン グにより、深みと現実味のある質感が 実現できる。また、連続レイヤに対し て接着剤やコーティングを硬化すると、 粘着性とフロー制御が向上する。 UV LED 硬化技術の展望 2014 年には、従来の硬化手法では 実用化できなかった UV LED の新たな 応用分野が多数登場し、引き続き UV LEDが急速に普及するだろう。フレキシ ブルな高解像度有機 EL（ OLED ）など の最先端ディスプレイ技術と、高速で 次元的に高精度な AM（Additive Man ufacturing ） はともに、エネルギー照射 が正確で熱負荷が低いという UV LED システムの恩恵を受けることが見込ま れる。UV LEDエコシステムの発展に伴 図 5 フラットパネルディスプレイ製造は、UV LED 照射源によって実現される複数の応用分野 のうちの 1 つである。 い、その他にも応用分野が出現するこ とは間違いない。材料メーカーは、LED の特徴的な UV 出力向けに特に開発さ 利用されている。このような装飾加工 装飾印刷は、グロス、マット、ホログ れた単量体、重合体、樹脂、光重合開 では、UV LED 照射源を利用してガラス ラフィックの加工に対して非常に優れ 始剤など、さらに幅広い選択肢の中か 容器表面のインクを硬化させることに た効果を発揮する。鋳造（キャスト）と ら自社製品の主要構成物質を選択でき より、印刷品質を高めることができる。 硬化（キュアリング）は、給紙やウェブ るようになるだろう。 UV LED による点字印刷を利用すれ の分野において、さまざまな基板上に 規制の問題によっても、同技術の進 ば、ラベルやパッケージを瞬時にパー 装飾的なホログラフィック加工を施す 歩が促進されるだろう。世界中の法規 ソナライズしたり、簡単に変更できる ための成長著しい技術である。コール 制当局や非政府組織が、水銀を含む製 柔軟性を持たせたりすることもでき ド箔は、金属箔をインラインでプレス 品をめぐる問題に取り組み続けている。 る。メッセージを頻繁に変更したい場 速度で適用するもので、無限の色スペ 欧州連合のRoHS II （Reduction of Haz 合は（日付、名前、言語の変更など） 、 クトルに対応する。UV LED 技術によっ ardous Substances：特定有害物質の使 工程を制御するコンピュータを更新す て、さまざまな環境においてこのよう 用制限） が、水銀を含む機器に対する適 るだけでそれが可能だ。印刷の代わり な加工を施すことができる。 切な代替品の探索を重視する一方で、 に従来のスタンプ方式を利用する場合 低温であるというUV LEDの利点も、 国際連合の UNEP プログラムでは水銀 は、変更ごとに新しい輪転機が必要に 多様な基板に適用できるという点にお の除去を目的としている。UV LED ラ なる。パーソナライズや柔軟性以外に いて、応用分野の拡大につながる。UV ンプは現在、大多数の硬化要件に対し、 も、パッケージ上の点字印刷の品質が LEDは、木材、金属、セラミックタイル、 この問題に対する費用対効果が高く有 向上するという利点がある。多様な言 プラスチック、ガラス、3D テクスチャ 効な解決策となっている。 語に対応して読みやすいラベルを作成 することができる。 応用分野は装飾的用途にまで及ぶ。 30 2014.6 LEDs Magazine Japan 著者紹介 ビル・コーテルユー（ BILL CORTELYOU ） は、米フォセオン・テクノロジー社 （ Phoseon Technolog y） の社長兼 CEO。 LEDJ